光学双稳态效应的早期观测：非线性光学与光子学研究成果

色散型F-P装置双稳态效应是源自腔内非线性介质的光致折射率感应变化。总的来说，对于大多数对入射光透明的介质而言，感应折射率变化量非常小，因此往往要求入射光强足够高，或者必须利用Δn的某种共振增强机制，包括单光子共振跃迁、双光子共振跃迁以及拉曼共振跃迁等物理机制。但另一方面，这些共振跃迁机制也可能导致入射光信号的衰减以及光热效应，这些都会降低双稳态装置的性能。基于这些原因，应该在力求获得尽可能大的Δn值的同时，尽可能减少光信号衰减和光-热效应［4，5，8，9］。

光学双稳态效应的首次观察，是Gibbs等人在一个充有Na蒸气的F-P装置中实现的［4］。由两个反射率为90%的镜面组成了长度为11 cm的F-P腔，在腔内中间位置放置一个2.5 cm长气体管，内充气压为10-4～10-5 Torr的Na蒸气。输入激光束来自一个可调谐单模染料连续波激光器，最大输入功率为2.7 mW，而激光频率则调谐至约在Na原子的2S1/2，F=2能级到2P3/2能级跃迁频率之上150 MHz处（单光子近共振增强）。图11-6（a）显示了一种透过光强随入射光强变化的实验曲线；而图11-6（b）则给出了在不同初始相位因子δ0（单位为MHz）条件下，该装置所呈现出的不同特性曲线。对于一个给定的F-P装置，其自由光谱范围意味着与图11-2中周期曲线两个相邻透过率峰之间的间隔（以cm-1或MHz为单位）相等，它由下式决定：

图11-6　腔内放置Na蒸气的FP装置的光学双稳态实验演示［4］

（a）输出光强随输入光强的变化曲线（虚线表示光强增大，实线表示光强减小）；（b）在不同初始相位因子δ0条件下测得的工作特性曲线，F-P自由光谱范围约为1364 MHz(www.xing528.com)

光学双稳态最早观测的另一个例子，是基于包含有5 mm长红宝石晶体的平凹型FP腔装置，晶体掺Cr3+浓度为0.03%并工作在85～296 K温度［5］。在低入射光强和室温下F-P腔的镜面反射率R=0.91而精细因子约为18。输入光束是出自一台单横模20 mW连续波红宝石激光器，工作在65 K或77 K条件下，激光发射波长为693.4 nm，因而可与红宝石样品的R1吸收线产生近共振作用。该实验观察到的光学双稳态特性曲线如图11-7所示；作者认为感应折射率变化主要贡献来自入射激光引起的基态和激发态粒子数分布的改变，而光-热效应的影响可以忽略。测量到的双稳态迟滞回线的上升与下降时间分别为3，20 ms。

图11-7　置于F-P腔内而温度为105 K的5 mm长红宝石棒在不同工作条件下的光学双稳态特性曲线（水平轴功率变化从0到15 mW，垂直轴功率变化从0到1.6 mW）［5］

第三个例子是早期利用在腔内放置CS2液体介质的F-P装置所做的光学双稳态实验观察［7］。F-P腔由两个反射率为R=0.98的平面镜组成，腔长为1 cm；输入光是脉宽为14 ns的红宝石调Q脉冲激光。考虑到由散射与残余吸收引起的损耗后，腔镜的有效反射率降低到R'≈0.78。而精细因子约为13。图11-8（a）给出了不同初始相位因子条件下测得的输入、输出脉冲以及感应相位移动随时间的变化曲线；图11-8（b）为在不同初始相位因子条件下测得的双稳态工作特性曲线。